微生物燃料電池對(duì)苯酚的降解及其產(chǎn)電性能

陳柳柳，徐 源，楊 倩，陳英文，祝社民，沈樹(shù)寶

（1. 南京工業(yè)大學(xué) 生物與制藥工程學(xué)院，江蘇 南京 210009；2. 南京工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 210009）

研究報(bào)告

微生物燃料電池對(duì)苯酚的降解及其產(chǎn)電性能

陳柳柳1，徐 源1，楊 倩1，陳英文1，祝社民2，沈樹(shù)寶1

（1. 南京工業(yè)大學(xué) 生物與制藥工程學(xué)院，江蘇 南京 210009；2. 南京工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 210009）

構(gòu)建了單室空氣陰極微生物燃料電池（MFC），研究了苯酚含量對(duì)以苯酚和葡萄糖為底物的MFC產(chǎn)電性能及苯酚去除率的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)CODB（苯酚貢獻(xiàn)的COD）為0時(shí)，MFC的運(yùn)行周期為36 h，最大輸出電壓為560 mV，最大功率密度為489 mW/m2；CODB為1 000 mg/L時(shí)，MFC的運(yùn)行周期為54 h，最大輸出電壓為436 mV，最大功率密度為98 mW/m2；當(dāng)CODB為200 mg/L時(shí)，MFC的COD去除率、苯酚去除率和庫(kù)倫效率（CE）均達(dá)到最大，分別為89.7%、99.9%和 7.2%，同時(shí)， MFC的陽(yáng)極生物膜產(chǎn)生的氧化峰電流最高，表明在葡萄糖-苯酚雙底物對(duì)微生物的協(xié)同作用下，MFC的陽(yáng)極生物膜氧化性最強(qiáng)；隨著CODB的增大，COD去除率、苯酚去除率和CE均逐漸減小，說(shuō)明苯酚的抑制作用導(dǎo)致微生物活性降低。

微生物燃料電池；苯酚；葡萄糖；底物；產(chǎn)電性能；陽(yáng)極；生物膜

微生物燃料電池（MFC）由于既能將廢水中有機(jī)物的化學(xué)能轉(zhuǎn)換成電能或氫能，同時(shí)又能處理廢水而受到廣泛關(guān)注［1］。此外，MFC具有原料來(lái)源廣泛、反應(yīng)條件溫和以及產(chǎn)物CO2和H2O不會(huì)造成二次污染等優(yōu)點(diǎn)。MFC的底物主要是葡萄糖［2］、乙酸鹽［3-4］、丁酸鹽［3］、生活污水［5］等易生物降解的物質(zhì)。然而，實(shí)際廢水中含有大量的生化性較差、高濃度下有毒性的難降解有機(jī)物，如酚類(lèi)化合物、芳香類(lèi)化合物等。這類(lèi)有機(jī)物能否作為MFC的底物，在被降解的同時(shí)產(chǎn)生電能，是MFC能否產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵問(wèn)題之一。

苯酚是一種典型的酚類(lèi)難降解物質(zhì)，廣泛用于合成樹(shù)脂、香料、染料、煉油、農(nóng)藥、醫(yī)藥等的生產(chǎn)中。苯酚對(duì)皮膚、黏膜有腐蝕作用，可抑制中樞神經(jīng)或損害肝、腎功能，因此，美國(guó)環(huán)境保護(hù)署將苯酚列為優(yōu)先污染物。研究表明，苯酚不僅可作為MFC底物，在有效降解的同時(shí)產(chǎn)生電能，而且在馴化期加入葡萄糖能提高M(jìn)FC的功率密度，但目前以苯酚為底物MFC的功率密度普遍較低，通常為6～39 mW/m2［6-9］。

本工作構(gòu)建了單室空氣陰極MFC，研究了苯酚含量對(duì)以苯酚和葡萄糖為底物的MFC的產(chǎn)電性能的影響，并探索了該過(guò)程中陽(yáng)極微生物的氧化還原活性，為MFC處理酚類(lèi)有機(jī)物提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

采用碳布作為陽(yáng)極、Pt/C催化劑作為陰極，構(gòu)建單室空氣MFC。反應(yīng)器由有機(jī)玻璃制成，呈圓筒型。陽(yáng)極室容積85 cm3，陽(yáng)極有效面積28.3 cm2，電極間距3 cm。兩電極間以銅線相連，外接電阻1 000 Ω。輸出電壓由信號(hào)采集與分析系統(tǒng)（南京賀普科技有限公司）進(jìn)行采集，采集頻率為1次/min。

1.2 MFC的微生物接種與運(yùn)行

將菌株在實(shí)驗(yàn)室配制的葡萄糖培養(yǎng)液中馴化培養(yǎng)，厭氧污泥和葡萄糖培養(yǎng)液按體積比1∶1加入反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)行掛膜。培養(yǎng)液組成［10］：葡萄糖1 g/ L，NH4Cl 0.31 g/L，KCl 0.13 g/L，Na2HPO4·12H2O 11.88 g/L，NaH2PO4·2H2O 2.55 g/L，MgSO4·7H2O 0.19 g/L，微量元素。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間馴化后，當(dāng)輸出電壓穩(wěn)定時(shí)，按照MFC底物CODT（總COD）為1 000 mg/L，逐步增加苯酚的含量，使CODB（苯酚貢獻(xiàn)的COD）分別為0，200，400，600，800，1 000 mg/ L，相對(duì)應(yīng)的CODG（葡萄糖貢獻(xiàn)的COD）分別為1 000，800，600，400，200，0 mg/ L。待MFC產(chǎn)電穩(wěn)定后，記錄相關(guān)數(shù)據(jù)。待輸出電壓低于130 mV時(shí)，更換新底物。MFC運(yùn)行溫度控制在（33±0.1）℃。

1.3 計(jì)算方法

最大功率密度可通過(guò)測(cè)定極化曲線得到；極化曲線通過(guò)穩(wěn)態(tài)放電法測(cè)得，即當(dāng)MFC輸出電壓達(dá)到每個(gè)周期的最大值并穩(wěn)定時(shí)，通過(guò)調(diào)節(jié)變阻箱，改變負(fù)載電阻的大小，測(cè)定電阻兩端的電壓。電流（I，A）和功率密度（P，mW/m2）按式（1）和式（2）計(jì)算。

式中：U為輸出電壓，mV；R為負(fù)載電阻，Ω；A為陽(yáng)極有效面積，m2。

由式（3）計(jì)算庫(kù)倫效率（CE，%）［3］。

式中：t為反應(yīng)時(shí)間，h；M為O2的相對(duì)分子質(zhì)量，32 g/mol；F為法拉第常數(shù)，96 485 C/mol；b為1 mol O2獲得的電子摩爾數(shù)，4 mol；V為溶液體積，L；ΔCOD為COD去除量，g/L。

1.4 分析方法

采用重鉻酸鉀法測(cè)定COD［11］210-213；采用4-氨基安替比林分光光度法測(cè)定苯酚濃度［11］460-462。采用天津市蘭力科化學(xué)電子高技術(shù)有限公司的LK3200型電化學(xué)工作站對(duì)MFC陽(yáng)極進(jìn)行循環(huán)伏安曲線掃描。陽(yáng)極生物膜作為工作電極，以Pt電極作為對(duì)電極，Ag/AgCl作為參比電極。電壓掃描范圍為-0.6 V至0.6 V，掃描速率為10 mV/s。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同苯酚含量下的輸出電壓曲線

不同苯酚含量下的輸出電壓曲線見(jiàn)圖1。由圖1可見(jiàn)：CODB為0時(shí)，即當(dāng)?shù)孜餅閱我黄咸烟菚r(shí)，MFC的運(yùn)行周期為36 h，最大輸出電壓為560 mV；隨著CODB的增大，MFC的運(yùn)行周期延長(zhǎng)，最大輸出電壓有所下降；CODB為1 000 mg/L時(shí)，即當(dāng)?shù)孜餅閱我槐椒訒r(shí)，最大輸出電壓最低，為436 mV，MFC的運(yùn)行周期為54 h。

圖 1 不同苯酚含量下的輸出電壓曲線CODB/（mg·L-1）：— 0； — 200；— 400；— 600；— 80；— 1 000

葡萄糖-苯酚雙底物刺激了MFC陽(yáng)極室中微生物的生長(zhǎng)，同時(shí)，葡萄糖的降解產(chǎn)物可促進(jìn)微生物對(duì)苯酚的降解，為降解苯酚的酶提供能量［12］。當(dāng)以苯酚作為單一底物時(shí)，MFC輸出電壓穩(wěn)定，說(shuō)明MFC能在無(wú)葡萄糖的條件下利用苯酚進(jìn)行產(chǎn)能。

2.2 苯酚含量對(duì)MFC最大功率密度的影響

MFC輸出電壓達(dá)到極大值且穩(wěn)定運(yùn)行后，進(jìn)行穩(wěn)態(tài)放電實(shí)驗(yàn)。不同底物的MFC功率密度-電流密度曲線見(jiàn)圖2。

圖2 不同底物的MFC功率密度-電流密度曲線CODB/（mg·L-1）：0；200；400；600；80；1 000

由圖2可見(jiàn)：CODB為0時(shí)，MFC的最大功率密度最高，為489 mW/m2；隨著CODB的增大，MFC的最大功率密度逐漸下降；當(dāng)CODB為1 000 mg/L時(shí)，MFC的最大功率密度為98 mW/m2。不同底物的MFC電壓-電流曲線見(jiàn)圖3。

圖3 不同底物的MFC電壓-電流曲線CODB/（mg·L-1）：0；200；400；600；80；1 000

電壓-電流曲線的斜率大小代表MFC內(nèi)阻的大小。由圖3可見(jiàn)，隨著CODB的增大，MFC的內(nèi)阻逐漸增大，這和底物的代謝有關(guān)。葡萄糖是某些代謝途徑的中間產(chǎn)物，可以直接被微生物降解利用；而苯酚是一種高分子物質(zhì)，經(jīng)過(guò)羧化酶和還原酶作用后，苯環(huán)斷裂，最終進(jìn)入?yún)捬醣郊姿嵬緩奖谎趸呻娮雍唾|(zhì)子［13］，這必然影響MFC陽(yáng)極室的電子傳遞，導(dǎo)致內(nèi)阻增大。

本實(shí)驗(yàn)以苯酚作為單一底物時(shí)，MFC的最大功率密度高于Luo等［14］和Friman等［7］的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。這是因?yàn)?，本?shí)驗(yàn)裝置為無(wú)質(zhì)子交換膜的單室反應(yīng)器，其內(nèi)阻小于雙室反應(yīng)器；此外，本實(shí)驗(yàn)中接種的菌株不是直接取自污水處理廠的污泥，而是在實(shí)驗(yàn)室中長(zhǎng)期厭氧馴化的污泥，產(chǎn)電菌株的濃度相對(duì)較高。加入葡萄糖作為底物有利于提高M(jìn)FC的產(chǎn)電性能［15］。

2.3 苯酚含量對(duì)底物去除率和CE的影響

苯酚含量對(duì)底物去除率和CE的影響見(jiàn)表1。由表1可見(jiàn)，在葡萄糖-苯酚雙底物或苯酚單一底物的MFC中，苯酚去除率在85%以上，這表明苯酚能在MFC中被高效降解。由表1還可見(jiàn)，COD去除率低于苯酚去除率，進(jìn)一步說(shuō)明微生物并不是直接利用苯酚作為底物，而是先將苯酚降解成小分子后才進(jìn)行利用。

CE表征了回收的電子與有機(jī)物能提供的電子之比。CE變化可能是由于底物的改變使得微生物的數(shù)量和種類(lèi)有所改變而影響微生物降解底物產(chǎn)生電子的能力。

表1 苯酚含量對(duì)底物去除率和CE的影響

由表1可見(jiàn)，當(dāng)CODB為200 mg/L時(shí)，COD去除率、苯酚去除率和CE均達(dá)到最大，分別為89.7%、99.9%和 7.2%，然后隨著CODB的增大而逐漸減小。這是因?yàn)?，苯酚含量低時(shí)，葡萄糖-苯酚雙底物對(duì)微生物的活性提高有促進(jìn)作用；苯酚含量高時(shí)，對(duì)微生物的活性產(chǎn)生抑制。Uygur等［16］的研究表明，當(dāng)CODB大于400 mg/L時(shí)，廢水中N、P元素的去除受到顯著影響。徐慶清等［17］的研究表明，CODB為500 mg/L時(shí)，抑制微生物的活性；當(dāng)CODB為700 mg/L時(shí)，苯酚降解速率僅為CODB為500 mg/L時(shí)的43%。由此可見(jiàn)，不同的運(yùn)行條件，苯酚對(duì)微生物抑制濃度范圍也不同。底物降解和產(chǎn)能是MFC運(yùn)行的主要目標(biāo)。在本實(shí)驗(yàn)中，隨著CODB的增加，COD去除率、苯酚去除率及CE均降低，但CODB為200 mg/L和400 mg/L時(shí)，COD去除率、苯酚去除率及CE均較接近。在實(shí)驗(yàn)中，希望MFC在耐受較高的苯酚含量的同時(shí)穩(wěn)定產(chǎn)能，故本實(shí)驗(yàn)適宜的CODB為400 mg/L。

2.4 苯酚含量對(duì)MFC的循環(huán)伏安曲線的影響

苯酚含量對(duì)MFC的循環(huán)伏安曲線的影響見(jiàn)圖4。由圖4可見(jiàn)：CODB為200 mg/L時(shí)，MFC的陽(yáng)極生物膜產(chǎn)生的氧化峰電流最高，表明MFC的陽(yáng)極生物膜氧化性最強(qiáng)；當(dāng)CODB為1 000 mg/L時(shí)，陽(yáng)極生物膜產(chǎn)生的氧化峰電流最低。峰電流大小決定了陽(yáng)極微生物直接氧化苯酚的能力。陽(yáng)極微生物氧化還原活性與微生物種類(lèi)、數(shù)量、生長(zhǎng)狀態(tài)相關(guān)［18］。當(dāng)CODB為200 mg/L時(shí)，葡萄糖-苯酚雙底物促進(jìn)微生物協(xié)同作用，氧化活性較高；隨著CODB的增大，苯酚的抑制作用導(dǎo)致微生物活性相應(yīng)降低。

圖4 苯酚含量對(duì)MFC的循環(huán)伏安曲線的影響CODB/（mg·L-1）：— 0； — 200；— 400；— 600；— 80；— 1 000

3 結(jié)論

a）MFC能夠利用葡萄糖、苯酚和葡萄糖-苯酚雙底物進(jìn)行產(chǎn)電。當(dāng)CODB為0時(shí)，即當(dāng)?shù)孜餅閱我黄咸烟菚r(shí)，MFC的運(yùn)行周期為36 h，最大輸出電壓為560 mV；隨著CODB的增大，MFC的運(yùn)行周期延長(zhǎng)，最大輸出電壓有所下降；CODB為1 000 mg/L時(shí)，即當(dāng)?shù)孜餅閱我槐椒訒r(shí)，最大輸出電壓最低，為436 mV，MFC的運(yùn)行周期為54 h。

b）CODB為0時(shí)，MFC的最大功率密度最高，為489 mW/m2；隨著CODB的增大，MFC的最大功率密度逐漸下降；當(dāng)CODB為1 000 mg/L時(shí)，MFC的最大功率密度為98 mW/m2。

c）當(dāng)CODB為200 mg/L時(shí)，COD去除率、苯酚去除率和CE均達(dá)到最大，分別為89.7%、99.9%和7.2%；隨著CODB的增大，COD去除率、苯酚去除率和CE均逐漸減小。綜合考慮本實(shí)驗(yàn)適宜的CODB為400 mg/L。

d）CODB為200 mg/L時(shí)，MFC的陽(yáng)極生物膜產(chǎn)生的氧化峰電流最高，表明MFC的陽(yáng)極生物膜氧化性最強(qiáng)，葡萄糖-苯酚雙底物促進(jìn)微生物協(xié)同作用；隨著CODB的增大，苯酚的抑制作用導(dǎo)致微生物活性相應(yīng)降低。

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（編輯 祖國(guó)紅）

Phenol Degradation and Electricity Generation in Microbial Fuel Cell

Chen Liuliu1，Xu Yuan1，Yang Qian1，Chen Yingwen1，Zhu Shemin2，Shen Shubao1
（1. College of Biotechnology and Pharmaceutical Engineering，Nanjing Tech University，Nanjing Jiangsu 210009，China；2. College of Material Science and Engineering，Nanjing Tech University，Nanjing Jiangsu 210009，China）

An air-cathode singer chamber microbial fuel cell（MFC）was constructed and fed with phenol and glucose as substrates. The effects of phenol concentration on electricity generation performance and phenol removal rate were investigated. The experimental results show that：when the CODB（COD contributed by phenol） is 0，the MFC operation cycle is 36 h，the maximum output voltage is 560 mV and the maximum power density is 489 mW/m2；When the CODBis 1 000 mg/L，the MFC operation cycle is 54 h，the maximum output voltage is 436 mV and the maximum power density is 98 mW/m2；When the CODBis 200 mg/L，the maximum COD removal rate，phenol removal rate and the coulombic effi ciency（CE）are 89.7%，99.9% and 7.2% respectively，and the oxidation peak current is the highest，which indicates that with the synergistic effect of glucose-phenol co-substrate on microorganism，the oxidation capacity of the biofi lm on the MFC anode is the strongest；The COD removal rate，phenol removal rate and the CE are decreased with the increasing of CODB，which indicates that the inhibition of phenol results in the reduce of microbial activity.

microbial fuel cell；phenol；glucose；substrate；electricity generation performance；anode； biofi lm

TM911.45

A

1006 - 1878（2015）01 - 0001 - 05

2014 - 07 - 11；

2014 - 09 - 22。

陳柳柳（1990—），女，湖南省湘鄉(xiāng)市人，碩士生，電話 15195998277，電郵 yayaliuliuchen@163.com。聯(lián)系人：陳英文，電話 025 - 58139922，電郵 ywchen@njtech.edu.cn。

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51172107；21106072）；國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目（2012BAE01B03-3）；教育部博士點(diǎn)基金項(xiàng)目（20113221110004）。